En una señal modulada digitalmente o un código de línea , la velocidad de símbolo , la velocidad de modulación o la velocidad en baudios es el número de cambios de símbolo, cambios de forma de onda o eventos de señalización a través del medio de transmisión por unidad de tiempo . La velocidad de símbolos se mide en baudios (Bd) o símbolos por segundo . En el caso de un código de línea, la velocidad de símbolo es la frecuencia del pulso en pulsos por segundo. Cada símbolo puede representar o transmitir uno o varios bits de datos. La velocidad de símbolo está relacionada con la velocidad de bits bruta , expresada en bits por segundo .
Un símbolo puede describirse como un pulso en la transmisión de banda base digital o un tono en la transmisión de banda de paso utilizando módems. Un símbolo es una forma de onda, un estado o una condición significativa del canal de comunicación que persiste durante un período de tiempo fijo. Un dispositivo emisor coloca símbolos en el canal a una velocidad de símbolos fija y conocida, y el dispositivo receptor tiene la tarea de detectar la secuencia de símbolos para reconstruir los datos transmitidos. Puede haber una correspondencia directa entre un símbolo y una pequeña unidad de datos . Por ejemplo, cada símbolo puede codificar uno o varios dígitos binarios (bits). Los datos también pueden representarse mediante transiciones entre símbolos o incluso mediante una secuencia de muchos símbolos.
El tiempo de duración del símbolo , también conocido como intervalo unitario , se puede medir directamente como el tiempo entre transiciones mirando el diagrama de ojo de un osciloscopio . El tiempo de duración del símbolo T s se puede calcular como:
donde f s es la velocidad de símbolo.
Por ejemplo, una velocidad de transmisión de 1 kBd = 1000 Bd es sinónimo de una velocidad de símbolo de 1000 símbolos por segundo. En el caso de un módem, esto corresponde a 1.000 tonos por segundo, y en el caso de un código de línea, esto corresponde a 1.000 impulsos por segundo. El tiempo de duración del símbolo es 1/1000 segundo = 1 milisegundo.
El término velocidad en baudios a veces se ha utilizado incorrectamente para referirse a la velocidad de bits, ya que estas velocidades son las mismas en los módems antiguos y en los enlaces de comunicación digitales más simples que utilizan solo un bit por símbolo, de modo que el "0" binario se representa con un símbolo. y "1" binario por otro símbolo. En módems y técnicas de transmisión de datos más avanzados, un símbolo puede tener más de dos estados, por lo que puede representar más de un dígito binario (un dígito binario siempre representa uno de exactamente dos estados). Por este motivo, el valor de la velocidad en baudios suele ser inferior a la velocidad de bits bruta.
Ejemplo de uso y mal uso de “baud rate” : Es correcto escribir “el baud rate de mi puerto COM es 9.600” si queremos decir que el bit rate es 9.600 bit/s, ya que en este caso hay un bit por símbolo . No es correcto escribir "la velocidad en baudios de Ethernet es de 100 megabaudios " o "la velocidad en baudios de mi módem es 56.000" si nos referimos a la velocidad de bits. Consulte a continuación para obtener más detalles sobre estas técnicas.
La diferencia entre baudios (o velocidad de señalización) y la velocidad de datos (o velocidad de bits) es como si un hombre usara una sola bandera de semáforo y pudiera mover su brazo a una nueva posición una vez por segundo, por lo que su velocidad de señalización (baudios) es un símbolo. por segundo. La bandera se puede sostener en una de ocho posiciones distintas: hacia arriba, 45° hacia la izquierda, 90° hacia la izquierda, 135° hacia la izquierda, hacia abajo (que es el estado de reposo, donde no envía ninguna señal), 135° hacia la derecha, 90°. derecha y 45° a la derecha. Cada señal (símbolo) transporta tres bits de información. Se necesitan tres dígitos binarios para codificar ocho estados. La velocidad de datos es de tres bits por segundo. En la Marina, se puede usar más de un patrón de bandera y más de un brazo a la vez, por lo que las combinaciones de estos producen muchos símbolos, cada uno de los cuales transmite varios bits, una velocidad de datos más alta.
Si se transmiten N bits por símbolo y la velocidad de bits bruta es R , incluida la sobrecarga de codificación del canal, la velocidad de símbolos se puede calcular como:
En ese caso se utilizan M = 2 N símbolos diferentes. En un módem, estos pueden ser tonos de onda sinusoidal con combinaciones únicas de amplitud, fase y/o frecuencia. Por ejemplo, en un módem 64QAM , M = 64. En un código de línea, estos pueden ser M niveles de voltaje diferentes.
Al tomar la información por pulso N en bits/pulso como el logaritmo de base 2 del número de mensajes distintos M que podrían enviarse, Hartley [1] construyó una medida de la velocidad de bits bruta R como:
donde f s es la velocidad en baudios en símbolos/segundo o pulsos/segundo. (Ver ley de Hartley ).
La modulación se utiliza en canales filtrados de banda de paso , como líneas telefónicas, canales de radio y otros canales multiplexados por división de frecuencia (FDM).
En un método de modulación digital proporcionado por un módem , cada símbolo suele ser un tono de onda sinusoidal con una determinada frecuencia, amplitud y fase. La velocidad de símbolos, velocidad en baudios, es el número de tonos transmitidos por segundo.
Un símbolo puede contener uno o varios bits de información. En los módems de banda vocal para la red telefónica, es común que un símbolo transporte hasta 7 bits.
Transmitir más de un bit por símbolo o bit por pulso tiene ventajas. Reduce el tiempo necesario para enviar una determinada cantidad de datos a través de un ancho de banda limitado. Se puede conseguir una alta eficiencia espectral en (bit/s)/Hz; es decir, una tasa de bits alta en bit/s aunque el ancho de banda en hercios puede ser bajo.
La velocidad máxima en baudios para una banda de paso para métodos de modulación comunes como QAM , PSK y OFDM es aproximadamente igual al ancho de banda de la banda de paso. [2]
Ejemplos de módem de banda vocal:
En el caso de un canal de banda base , como una línea telegráfica, un cable serie o un cable de par trenzado de red de área local, los datos se transfieren mediante códigos de línea; es decir, pulsos en lugar de tonos de ondas sinusoidales. En este caso, la velocidad en baudios es sinónimo de la frecuencia de pulsaciones en impulsos/segundo.
La velocidad máxima en baudios o frecuencia de pulso para un canal de banda base se llama velocidad de Nyquist y es el doble del ancho de banda (el doble de la frecuencia de corte).
Los enlaces de comunicación digital más simples (como los cables individuales de una placa base o el puerto serie RS-232/puerto COM) suelen tener una velocidad de símbolo igual a la velocidad de bits bruta.
Los enlaces de comunicación comunes, como Ethernet de 10 Mbit/s ( 10BASE-T ), USB y FireWire , suelen tener una velocidad de bits de datos ligeramente inferior a la velocidad en baudios, debido a la sobrecarga de símbolos adicionales que no son de datos utilizados para el código de autosincronización y detección de errores .
JM Emile Baudot (1845-1903) elaboró un código de cinco bits para telégrafos que se estandarizó internacionalmente y que comúnmente se denomina código Baudot .
Se utilizan más de dos niveles de voltaje en técnicas avanzadas como FDDI y LAN Ethernet de 100/1000 Mbit /s, entre otras, para lograr altas velocidades de datos.
Los cables LAN Ethernet de 1000 Mbit/s utilizan cuatro pares de cables en dúplex completo (250 Mbit/s por par en ambas direcciones simultáneamente) y muchos bits por símbolo para codificar sus cargas de datos.
En la transmisión de televisión digital el cálculo de la velocidad de símbolo es:
204 es el número de bytes en un paquete, incluidos los 16 bytes finales de corrección de errores Reed-Solomon . 188 es el número de bytes de datos (187 bytes) más el byte de sincronización del paquete principal (0x47).
Los bits por símbolo son (la potencia de modulación de 2) × (corrección de errores directa). Entonces, por ejemplo, en la modulación 64-QAM 64 = 2 6 , los bits por símbolo son 6. La corrección de errores directos (FEC) generalmente se expresa como una fracción; es decir, 1/2, 3/4, etc. En el caso de 3/4 FEC, por cada 3 bits de datos, se envían 4 bits, uno de los cuales es para corrección de errores.
Ejemplo:
entonces
En la televisión digital terrestre ( DVB-T , DVB-H y técnicas similares) se utiliza la modulación OFDM ; es decir, modulación multiportadora. La velocidad de símbolos anterior debería entonces dividirse por el número de subportadoras OFDM con el fin de alcanzar la velocidad de símbolos OFDM. Consulte la tabla de comparación del sistema OFDM para obtener más detalles numéricos.
Algunos enlaces de comunicación (como las transmisiones GPS , los teléfonos móviles CDMA y otros enlaces de espectro ensanchado ) tienen una tasa de símbolos mucho más alta que la tasa de datos (transmiten muchos símbolos llamados chips por bit de datos). La representación de un bit mediante una secuencia de chip de muchos símbolos supera la interferencia cocanal de otros transmisores que comparten el mismo canal de frecuencia, incluida la interferencia de radio , y es común en radios militares y teléfonos celulares . A pesar de que usar más ancho de banda para transportar la misma velocidad de bits da una baja eficiencia espectral del canal en (bit/s)/Hz, permite muchos usuarios simultáneos, lo que resulta en una alta eficiencia espectral del sistema en (bit/s)/Hz por unidad. de área.
En estos sistemas, la velocidad de símbolo de la señal de alta frecuencia transmitida físicamente se denomina velocidad de chip , que también es la frecuencia de pulso de la señal de banda base equivalente . Sin embargo, en sistemas de espectro ensanchado, el término símbolo también puede usarse en una capa superior y referirse a un bit de información, o un bloque de bits de información que se modulan usando, por ejemplo, modulación QAM convencional, antes de que se aplique el código de ensanchamiento CDMA. Usando la última definición, la velocidad de símbolos es igual o menor que la velocidad de bits.
La desventaja de transmitir muchos bits por símbolo es que el receptor tiene que distinguir muchos niveles de señal o símbolos entre sí, lo que puede resultar difícil y provocar errores de bits en el caso de una línea telefónica deficiente que adolece de una baja relación señal-ruido. En ese caso, un módem o adaptador de red puede elegir automáticamente un esquema de modulación o código de línea más lento y robusto, utilizando menos bits por símbolo, con el fin de reducir la tasa de error de bits.
Un diseño de conjunto de símbolos óptimo tiene en cuenta el ancho de banda del canal, la velocidad de información deseada, las características de ruido del canal y del receptor, y la complejidad del receptor y del decodificador.
Muchos sistemas de transmisión de datos funcionan mediante la modulación de una señal portadora . Por ejemplo, en la manipulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) , la frecuencia de un tono varía entre un conjunto pequeño y fijo de valores posibles. En un sistema de transmisión de datos síncrono , el tono sólo puede cambiarse de una frecuencia a otra a intervalos regulares y bien definidos. La presencia de una frecuencia particular durante uno de estos intervalos constituye un símbolo. (El concepto de símbolos no se aplica a los sistemas de transmisión de datos asíncronos). En un sistema modulado, el término velocidad de modulación puede usarse como sinónimo de velocidad de símbolos.
Si la señal portadora tiene sólo dos estados, entonces sólo se puede transmitir un bit de datos (es decir, un 0 o un 1) en cada símbolo. La tasa de bits es en este caso igual a la tasa de símbolos. Por ejemplo, un sistema FSK binario permitiría que la portadora tenga una de dos frecuencias, una que represente un 0 y la otra un 1. Un esquema más práctico es la manipulación binaria diferencial por desplazamiento de fase , en la que la portadora permanece en la misma frecuencia. pero puede ser en una de dos fases. Durante cada símbolo, la fase permanece igual, codificando un 0, o salta 180°, codificando un 1. Nuevamente, cada símbolo transmite sólo un bit de datos (es decir, un 0 o un 1). Este es un ejemplo de datos codificados en las transiciones entre símbolos (el cambio de fase), en lugar de los símbolos mismos (la fase real). (La razón de esto en la manipulación por desplazamiento de fase es que no es práctico conocer la fase de referencia del transmisor).
Al aumentar el número de estados que puede tomar la señal portadora, el número de bits codificados en cada símbolo puede ser mayor que uno. La tasa de bits puede entonces ser mayor que la tasa de símbolos. Por ejemplo, un sistema de codificación por cambio de fase diferencial podría permitir cuatro posibles saltos de fase entre símbolos. Entonces se podrían codificar dos bits en cada intervalo de símbolo, logrando una velocidad de datos del doble de la velocidad de símbolo. En un esquema más complejo, como 16-QAM , se transmiten cuatro bits de datos en cada símbolo, lo que da como resultado una velocidad de bits cuatro veces mayor que la velocidad del símbolo.
Aunque es común elegir que el número de símbolos sea una potencia de 2 y enviar un número entero de bits por baudios, esto no es necesario. Los códigos de línea, como la codificación bipolar y MLT-3, utilizan tres estados de portadora para codificar un bit por baudio mientras se mantiene el equilibrio de CC .
El código de línea 4B3T utiliza tres bits modulados de 3 bits para transmitir cuatro bits de datos, una velocidad de 1,33 bits por baudio.
La modulación de una portadora aumenta el rango de frecuencia o ancho de banda que ocupa. Los canales de transmisión generalmente tienen un ancho de banda limitado que pueden transportar. El ancho de banda depende de la tasa de símbolos (modulación) (no directamente de la tasa de bits ). Como la velocidad de bits es el producto de la velocidad de símbolos y el número de bits codificados en cada símbolo, es claramente ventajoso aumentar este último si el primero es fijo. Sin embargo, por cada bit adicional codificado en un símbolo, la constelación de símbolos (el número de estados de la portadora) duplica su tamaño. Esto hace que los estados sean menos distintos entre sí, lo que a su vez dificulta que el receptor detecte correctamente el símbolo en presencia de perturbaciones en el canal.
La historia de los módems es el intento de aumentar la velocidad de bits en un ancho de banda fijo (y por lo tanto una velocidad de símbolo máxima fija), lo que lleva a un aumento de bits por símbolo. Por ejemplo, ITU-T V.29 especifica 4 bits por símbolo, a una velocidad de símbolo de 2400 baudios, lo que da una velocidad de bits efectiva de 9600 bits por segundo.
La historia del espectro ensanchado va en la dirección opuesta, lo que lleva a que cada vez haya menos bits de datos por símbolo para poder ensanchar el ancho de banda. En el caso del GPS, tenemos una velocidad de datos de 50 bit/s y una velocidad de símbolo de 1.023 Mchips/s. Si cada chip se considera un símbolo, cada símbolo contiene mucho menos de un bit (50 bit/s / 1.023 ksímbolos/s ≈ 0,000,05 bits/símbolo).
La colección completa de M posibles símbolos en un canal particular se denomina esquema de modulación M-ario . La mayoría de los esquemas de modulación transmiten un número entero de bits por símbolo b , lo que requiere que la colección completa contenga M = 2 b símbolos diferentes. Los esquemas de modulación más populares se pueden describir mostrando cada punto en un diagrama de constelación , aunque algunos esquemas de modulación (como MFSK , DTMF , modulación de posición de pulso , modulación de espectro ensanchado ) requieren una descripción diferente.
En telecomunicaciones , en lo que respecta a la modulación de una portadora , una condición importante es uno de los parámetros de la señal elegidos para representar información . [3]
Una condición importante podría ser una corriente eléctrica (voltaje o nivel de potencia ), un nivel de potencia óptica, un valor de fase o una frecuencia o longitud de onda particular . La duración de una condición significativa es el intervalo de tiempo entre instantes significativos sucesivos. [3] Un cambio de una condición significativa a otra se llama transición de señal . La información puede transmitirse durante un intervalo de tiempo determinado o codificarse como la presencia o ausencia de un cambio en la señal recibida. [4]
Las condiciones importantes son reconocidas por un dispositivo apropiado llamado receptor, demodulador o decodificador. El decodificador traduce la señal real recibida a su valor lógico previsto , como un dígito binario (0 o 1), un carácter alfabético, una marca o un espacio. Cada instante significativo se determina cuando el dispositivo apropiado asume una condición o estado utilizable para realizar una función específica, como grabación, procesamiento o activación . [3]
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